Einführung in die Programmierung Wintersemester 2014/15

Transkript

1 Einführung in die Programmierung Wintersemester 2014/15 Prof. Dr. Günter Rudolph Lehrstuhl für Algorithm Engineering Fakultät für Informatik TU Dortmund

2 : Zeiger Inhalt Zeiger Zeigerarithmetik Zeiger für dynamischen Speicher Anwendungen 2

3 Caveat! Fehlermöglichkeiten immens groß! Falsch gesetzte Zeiger Programm- und zuweilen Rechnerabstürze! Aber: Machtvolles Konzept! Deshalb genaues Verständnis unvermeidlich! Dazu müssen wir etwas ausholen... 3

4 Speicherplätzen sind fortlaufende Nummern (= Adressen) zugeordnet Datentyp legt Größe eines Datenobjektes fest Lage eines Datenobjektes im Speicher bestimmt durch Anfangsadresse Zeiger = Datenobjekt mit Inhalt (4 Byte) Inhalt interpretiert als Adresse eines anderen Datenobjektes Zeiger Datenobjekt Adresse Inhalt Adresse Inhalt

5 Zeiger Datenobjekt Adresse Inhalt Adresse Inhalt Adresse des Zeigers Inhalt des Zeigers Adresse des Objekts Inhalt des Objekts 5

6 Beispiel: Visitenkarte Hugo Hase X-Weg X-Weg Zeiger Objekt Inhalt: Adresse X-Weg 42 Inhalt: Hugo Hase 6

7 Zeiger: Wofür? Zeiger weiterreichen einfacher als Datenobjekt weiterreichen Zeiger verschieben einfacher / effizienter als Datenobjekt verschieben etc. Datendefinition Datentyp *Bezeichner; reserviert 4 Byte für einen Zeiger, der auf ein Datenobjekt vom Typ des angegebenen Datentyps verweist Beispiel double Umsatz; double *pumsatz; Herkömmliche Variable vom Type double Zeiger auf Datentyp double 7

8 Was passiert genau? double Umsatz; double *pumsatz; Umsatz = ; pumsatz = &Umsatz; *pumsatz = ; reserviert 8 Byte für Datentyp double; symbolischer Name: Umsatz; Rechner kennt jetzt Adresse des Datenobjektes reserviert 4 Byte für einen Zeiger, der auf ein Datenobjekt vom Type double zeigen kann; symbolischer Name: pumsatz Speicherung des Wertes an Speicherort mit symbolischer Adresse Umsatz holt Adresse des Datenobjektes, das an symbolischer Adresse Umsatz gespeichert ist; speichert Adresse in pumsatz indirekte Wertzuweisung: Wert wird als Inhalt an den Speicherort gelegt, auf den pumsatz zeigt 8

9 Zwei Operatoren: * und & *-Operator: - mit Datentyp: Erzeugung eines Zeigers double *pumsatz; - mit Variable: Inhalt des Ortes, an den Zeiger zeigt *pumsatz = 10.24; &-Operator: ermittelt Adresse des Datenobjektes pumsatz = &Umsatz; Wie interpretiert man Datendefinition richtig? Man lese von rechts nach links! double *pumsatz; 1. pumsatz ist 2. Zeiger auf 3. Typ double 9

10 Initialisierung Sei bereits double Umsatz; vorhanden: double *pumsatz = &Umsatz; int *pint = nullptr; // C++11 oder in altem C++ int *pint = 0; // C++98 Nullpointer! Symbolisiert Adresse, auf der niemals ein Datenobjekt liegt! oder in C int *pint = NULL; // C99 Verwendung Nullzeiger: Zeiger zeigt auf Nichts! Er ist leer! Leerer Zeiger. 10

11 Beispiele: double a = 4.0, b = 5.0, c; c = a + b; double *pa = &a, *pb = &b, *pc = &c; *pc = *pa + *pb; double x = 10.; double y = *&x; 11

12 Typischer Fehler double *widerstand; *widerstand = 120.5; Dem Zeiger wurde keine Adresse zugewiesen! Er zeigt also irgendwo hin: a) Falls in geschützten Speicher, dann Abbruch wg. Speicherverletzung! b) Falls in nicht geschützten Speicher, dann Veränderung anderer Daten! Folge: Seltsames Programmverhalten! Schwer zu erkennender Fehler! 12

13 Unterscheidung Konstante Zeiger char *text = Hallo ; int feld[] = { 2, 3, 4 }; zeigt auf feste Adresse im Speicher, auf die Programmierer nicht verändernd zugreifen kann! Aber: Es gibt Compilerspezifische Unterschiede! text feld H a l l o \ int *const cpfeld = feld; v.r.n.l.: cpfeld ist constanter Zeiger auf Datentyp int 13

14 Exkurs: const Qualifizierer Schlüsselwort const gibt an, dass Werte nicht verändert werden können! Leider gibt es 2 Schreibweisen: const int a = 1; int const a = 1; identisch zu ) konstanter Integer ) da Konstanten kein Wert zuweisbar, Wertbelegung bei Initialisierung! verschiedene Schreibweisen können zu Verwirrungen führen (besonders bei Zeigern!) ) am besten konsistent bei einer Schreibweise bleiben! 14

15 Exkurs: const Qualifizierer Fragen: 1. Was ist konstant? 2. Wo kommt das Schlüsselwort const hin? char* s1 char const* s2 char* const s3 = "Zeiger auf char"; = "Zeiger auf konstante char"; = "Konstanter Zeiger auf char"; char const* const s4 = "Konstanter Zeiger auf konstante char"; Sinnvolle Konvention / Schreibweise: Konstant ist, was vor dem Schlüsselwort const steht! ) Interpretation der Datendefinition / Initialisierung von rechts nach links! 15

16 Exkurs: const Qualifizierer Zeiger Inhalt char* s1 = "1"; V V char const* s2 = "2"; V K V: veränderlich char* const s3 = "3"; K V K: konstant char const* const s4 = "4"; K K *s1 = 'a'; *s2 = 'b'; // Fehler: Inhalt nicht veränderbar *s3 = 'c'; *s4 = 'd'; // Fehler: Inhalt nicht veränderbar char* s0 = "0"; s1 = s0; s2 = s0; s3 = s0; // Fehler: Zeiger nicht veränderbar s4 = s0; // Fehler: Zeiger nicht veränderbar 16

17 Unterscheidung Veränderliche Zeiger double x = 2.0, y = 3.0, z = 7.0, s = 0.0, *ptr; ptr = &x; s += *ptr; ptr = &y; s += *ptr; ptr = &z; s += *ptr; ptr nimmt nacheinander verschiedene Werte (Adressen) an s hat am Ende den Wert 12.0 ptr x y z 17

18 Zeigerarithmetik Sei T ein beliebiger Datentyp in der Datendefinition T *ptr; und ptr ein Zeiger auf ein Feldelement eines Arrays von Typ T Dann bedeutet: ptr = ptr + 1; oder ++ptr; dass der Zeiger ptr auf das nächste Feldelement zeigt. Analog: ptr = ptr 1; oder --ptr; Zeiger ptr zeigt dann auf das vorherige Feldelement 18

19 Zeigerarithmetik Achtung: T val; T *ptr = &val; ptr = ptr + 2; In der letzten Zeile werden nicht 2 Byte zu ptr hinzugezählt, sondern 2 mal die Speichergröße des Typs T. Das wird auch dann durchgeführt wenn ptr nicht auf Array zeigt. 19

20 Zeigerarithmetik int a[] = { 100, 110, 120, 130 }, *pa, sum = 0; pa = &a[0]; sum += *pa + *(pa + 1) + *(pa + 2) + *(pa + 3); struct KundeT { double umsatz; float skonto; }; KundeT Kunde[5], *pkunde; pkunde = &Kunde[0]; int i = 3; *pkunde = *(pkunde + i); Größe des Datentyps KundeT: = 12 Byte Sei pkunde == Dann(pKunde + i) ==

21 Zeigerarithmetik char *quelle = Ich bin eine Zeichenkette ; int const maxzeichen = 100; char ziel[maxzeichen], *pz = &ziel[0]; // Länge der Zeichenkette char *pq = quelle; while (*pq!= \0 ) pq++; int len = pq quelle; if (len < maxzeichen) { // Kopieren der Zeichenkette pq = quelle; while (*pq!= \0 ) { *pz = *pq; pz++; pq++; } } *pz = \0 ; Kommentar Kommentar später! 21

22 Zeiger auf Datenverbund (struct) struct punktt { int x, y; }; punktt punkt[1000]; punktt *ptr = punkt; punkt[0].x = 10; punkt[2].x = 20; punkt[k].x = 100; ptr->x = 10; (ptr + 2)->x = 20; (ptr + k)->x = 100; (*ptr).x ist identisch zu ptr->x 22

23 Aufgabe: Lese zwei Vektoren reeller Zahlen der Länge n ein. Berechne das Skalarprodukt und gebe den Wert auf dem Bildschirm aus! Lösungsansatz: Vektoren als Arrays von Typ double. n darf höchstens gleich der Arraygröße sein! Testen und ggf. erneute Eingabe! 23

24 #include <iostream> using namespace std; int main() { unsigned int const nmax = 100; unsigned int i, n; double a[nmax], b[nmax]; // Dimension n einlesen und überprüfen do { cout << "Dimension ( n < " << nmax << " ): "; cin >> n; } while (n < 1 n > nmax); (Fortsetzung folgt ) Datendefinition double a[nmax] OK, weil nmax eine Konstante ist! Ohne const: Fehlermeldung! z.b. Konstanter Ausdruck erwartet 24

25 Sinn & Zweck des ISO Standards für C++ Kapitel Intermezzo 4 Der aktuelle GNU C++ Compiler erlaubt folgendes: #include <iostream> int main() { } int n; std::cin >> n; double a[n]; a[0] = 3.14; return 0; Aber: Der Microsoft C++ Compiler (VS 2003) meldet einen Fehler! Variable Arraygrenzen sind nicht Bestandteil des C++ Standards! Verwendung von Compiler-spezifischen Spracherweiterungen führt zu Code, der nicht portabel ist! Das ist nicht wünschenswert! 25

26 Sinn & Zweck des ISO Standards für C++ Kapitel Intermezzo 4 #include <iostream> int main() { } int n; std::cin >> n; double a[n]; a[0] = 3.14; return 0; Also: Bei Softwareentwicklung nur Sprachelemente des C++ Standards verwenden! Bei GNU Compiler: Option -pedantic C++ Standard ISO/IEC z.b. als PDF-Datei erhältlich für 30$ 26

27 ( Fortsetzung) // Vektor a einlesen for (i = 0; i < n; i++) { cout << "a[" << i << "]= "; cin >> a[i]; } // Vektor b einlesen for (i = 0; i < n; i++) { cout << "b[" << i << "]= "; cin >> b[i]; } // Skalarprodukt berechnen double sp = 0.; for (i = 0; i < n; i++) sp += a[i] * b[i]; // Ausgabe cout << "Skalarprodukt = " << sp << endl; Anmerkung: Fast identischer Code! Effizienter mit Funktionen! nächstes Kapitel! } return 0; 27

28 Unbefriedigend bei der Implementierung: Maximale festgelegte Größe des Vektors! Liegt an der unterliegenden Datenstruktur Array: Array ist statisch, d.h. Größe wird zur Übersetzungszeit festgelegt und ist während der Laufzeit des Programms nicht veränderbar! Schön wären dynamische Datenstrukturen, d.h. Größe wird zur Übersetzungszeit nicht festgelegt und ist während der Laufzeit des Programms veränderbar! Das geht mit dynamischem Speicher und Zeigern! 28

29 Exkurs: Dynamischer Speicher Erzeugen und Löschen eines Objekts zur Laufzeit: 1. Operator new erzeugt Objekt 2. Operator delete löscht zuvor erzeugtes Objekt Beispiel: (Erzeugen) int *xp = new int; double *yp = new double; struct PunktT { int x, y; }; PunktT *pp = new PunktT; int n = 10; int *xap = new int[n]; PunktT *pap = new PunktT[n]; Beispiel: (Löschen) delete xp; delete yp; delete pp; delete[] xap; delete[] pap; variabel, nicht konstant! 29

30 Exkurs: Dynamischer Speicher Bauplan: Datentyp *Variable = new Datentyp; delete Variable; (Erzeugen) (Löschen) Bauplan für Arrays: Datentyp *Variable = new Datentyp[Anzahl]; delete[] Variable; (Erzeugen) (Löschen) Achtung: Dynamisch erzeugte Objekte müssen auch wieder gelöscht werden! Keine automatische Speicherbereinigung! 30

31 Exkurs: Dynamischer Speicher Wo wird Speicher angelegt? im Freispeicher alias Heap alias dynamischen Speicher Heap wächst nach unten Stack Programm und statischer Speicher wächst nach oben wenn Heapgrenze auf Stackgrenze stösst: Out of Memory Error Stack bereinigt sich selbst, für Heap ist Programmierer verantwortlich! 31

32 Zurück zur Beispielaufgabe: unsigned int const nmax = 100; unsigned int i, n; double a[nmax], b[nmax]; do { cout << "Dimension ( n < " << nmax << " ): "; cin >> n; } while (n < 1 n > nmax); vorher: statischer Speicher unsigned int i, n; double *a, *b; do { cout << "Dimension: "; cin >> n; } while (n < 1); a = new double[n]; b = new double[n]; nachher: dynamischer Speicher 32

33 Nicht vergessen: Am Ende angeforderten dynamische Speicher wieder freigeben! delete[] a; delete[] b; } return 0; Sonst Speicherleck! ) Programm terminiert möglicherweise anormal mit Fehlermeldung! 33

34 Beispiel für programmierten Absturz: #include <iostream> using namespace std; int main() { unsigned int const size = 100 * 1024; unsigned short k = 0; } while (++k < 5000) { double* ptr = new double[size]; cout << k << endl; // delete[] ptr; } return 0; bei k ¼ 2500 sind 2 GB erreicht ) Abbruch! 34

35 Projekt: Matrix mit dynamischem Speicher (Größe zur Laufzeit festgelegt!) Vorüberlegungen: Speicher im Rechner ist linear! ) Rechteckige / flächige Struktur der Matrix linearisieren! x x x x x x x x y y y y z z z z y y y y z z z z n Zeilen, m Spalten ) n x m Speicherplätze! 35

36 Projekt: Matrix mit dynamischem Speicher (Größe zur Laufzeit festgelegt!) double **matrix; matrix = new double*[zeilen]; // double *matrix[]; matrix[0] = new double[zeilen * spalten]; for (i = 1; i < zeilen; i++) matrix[i] = matrix[i-1] + spalten; Zugriff wie beim zweidimensionalen statischen Array: matrix[2][3] = 2.3; matrix zeigt auf double* matrix[0] delete[] matrix[0]; delete[] matrix; matrix[2][3] 36

37 int main() { unsigned int i, zeilen, spalten; cout << Zeilen = ; cin >> zeilen; cout << Spalten = ; cin >> spalten; double **matrix = new double*[zeilen]; matrix[0] = new double[zeilen * spalten]; for (i = 1; i < zeilen; i++) matrix[i] = matrix[i-1] + spalten; for (i = 0; i < zeilen; i++) for (j = 0; j < spalten; j++) matrix[i][j] = i * spalten + j; delete[] matrix[0]; delete[] matrix; return 0; Speicher anfordern Adressen berechnen Zugriff per Indices Speicher freigeben 37